Chương 15: Đại cương về máy điện không đồng bộ doc

28 n 1 n < n 1 Hình 1 5 - 1. Chế độ động cơ điện của máy điện không đồng bộ F Phần thứ t' Máy điện không đồng bộ (KĐB) Ch'ơng 15 đại c6ơng về máy điện không đồng bộ 15-1. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ Khi cho dòng điện xoay chiều ba pha lệch nhau góc 120 0 điện đi vào dây quấn ba pha của stato đặt lệch nhau 120 0 điện, trong máy sẽ sinh ra một từ trJờng quay với tốc độ đồng bộ p f n 1 1 60 = , trong đó f 1 là tần số dòng điện đJa vào, p số đôi cực của máy. Từ trJờng này quét qua dây quấn đặt trên lõi sắt rôto và cảm ứng trong dây quấn đó s.đ.đ. và dòng điện. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn rôto tác dụng với từ thông khe hở này sinh ra mômen điện từ. Trị số của mômen điện từ có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rôto. Với những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Để chỉ sự khác nhau giữa tốc độ rôto và tốc độ từ trJờng quay ngJời ta dùng hệ số trJợt s. Theo định nghĩa, hệ số trJợt s bằng: 100.% 1 1 n nn s = Khi n = 0 thì s = 1; n = n 1 thì s = 0; n > n 1 thì s < 0 và khi rôto quay ngJợc chiều từ trJờng quay (n < 0) thì s > 1. Sau đây sẽ nghiên cứu chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ trong ba phạm vi tốc độ khác nhau. 15.1.1. Tr&ờng hợp rôto quay cùng chiều với từ tr&ờng quay nh&ng tốc độ nhỏ hơn tốc độ đồng bộ (0 < n < n 1 hay 0 < s < 1) Giả thiết chiều quay của từ trJờng tổng 1 và của rôto nhJ ở hình 15-1. Do n < n 1 nên từ trJờng đó vẫn quét qua thanh dẫn theo chiều quay của từ trJờng và cảm ứng trong dây quấn rôto s.đ.đ. và dòng điện có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải (dấu trên hình 15-1). Tác dụng giữa từ trJờng tổng với dòng điện trong dây quấn rôto sinh ra lực điện từ F, chiều của lực điện từ xác định bằng quy tắc bàn tay trái. Lực điện từ sinh ra mômen điện từ kéo rôto quay theo chiều từ trJờng quay. Điện năng đJa vào dây quấn stato đã biến thành cơ năng trên trục máy, nghĩa là máy điện làm việc ở chế độ động cơ điện. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 29 n - + 1 1 n nn s = + - Chế độ làm việc Chế độ hãm Động cơ điện Máy phát điện 0 1 0 n 1 Hình 1 5 - 2. Chế độ máy phát điện của máy điện không đồng bộ n 1 n > n 1 F Hình 15-3. Chế độ hãm điện từ của máy điện không đồng bộ n 1 n F Máy chỉ làm việc ở chế độ động cơ điện khi n < n 1 vì chỉ khi n < n 1 mới có sự chuyển động tJơng đối giữa từ trJờng quay và dây quấn rôto, trong dây quấn rôto mới có dòng điện và sinh ra mômen kéo rôto quay. 15.1.2. Tr&ờng hợp rôto quay cùng chiều từ tr&ờng quay nh&ng nhanh hơn tốc độ đồng bộ (n > n 1 hay s < 0) Dùng động cơ sơ cấp kéo rôto của máy điện không đồng bộ quay cùng chiều từ trJờng quay nhJng nhanh hơn tốc độ đồng bộ n > n 1 (hình 15-2). Lúc đó chiều của từ trJờng quay quét qua dây quấn của rôto ngJợc lại so với trJờng hợp trên. S.đ.đ. và dòng điện cảm ứng trong dây quấn rôto cũng đổi chiều. Mômen điện từ có chiều ngJợc với chiều của tốc độ và trở thành mômen hãm (xem hình 15-2). Máy điện không đồng bộ đã biến cơ năng thành điện năng cung cấp cho mạng, nghĩa là máy làm việc ở chế độ phát điện. 15.1.3. Tr&ờng hợp rôto quay ng&ợc chiều từ tr&ờng quay (n < 0 hay s >1) Vì nguyên nhân nào đó, rôto quay ngJợc chiều từ trJờng quay (hình 15-3) thì lúc đó s.đ.đ, dòng điện và mômen điện từ có chiều giống nhJ ở chế độ động cơ điện. Vì mômen sinh ra ngJợc với chiều quay của rôto nên có tác dụng hãm cho rôto đứng lại. Trong trJờng hợp này máy vừa lấy điện năng từ lJới điện vào, vừa lấy cơ năng từ động cơ sơ cấp. Chế độ làm việc nhJ vậy gọi là chế độ hãm điện từ. Tóm lại có thể biểu thị các chế độ làm việc theo phạm vi tốc độ và hệ số trJợt nhJ sau: Vì máy điện làm việc ở những tốc độ khác tốc độ của từ trJờng quay nên gọi là máy điện không đồng bộ. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 30 b) c) Hình 15-4. Lõi thép stato: a) lá thép hình vành khăn; b) lá thép hình rẻ quạt; c) mạch từ stato a) 15-2. Phân loại và kết cấu của máy điện không đồng bộ 15.2.1. Phân loại Theo kết cấu của vỏ, máy điện không đồng bộ có thể chia thành các kiểu chính sau: kiểu kín, kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu chống nổ v.v Theo kết cấu của rôto, máy điện không đồng bộ chia làm hai loại: rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc. Theo số pha trên dây quấn stato có thể chia thành các loại một pha, hai pha và ba pha. 15.2.2. Kết cấu Giống nhJ các máy điện quay khác, máy điện không đồng bộ gồm các bộ phận chính sau: 1. Phần tĩnh (hay stato) Trên stato có lõi sắt, dây quấn và vỏ máy. a. Lõi sắt Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trJờng đi qua lõi sắt là từ trJờng quay nên để giảm tổn hao do dòng điện xoáy (dòng Phucô), lõi sắt đJợc làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm ữ 0,5 mm, trên bề mặt có phủ sơn cách điện. Khi đJờng kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 990 mm thì dùng cả tấm tròn, dập theo dạng nhJ ở hình 15-4a rồi ép lại thành hình trụ rỗng, bên trong hình thành các rãnh để đặt dây quấn (hình 15-4c). Khi đJờng kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt (hình 15-4b) ghép lại thành khối tròn. Nếu lõi sắt dài quá thì thJờng ghép thành từng thếp ngắn, mỗi thếp dài từ 6 đến 8 cm, đặt cách nhau 1 cm để thông gió cho tốt. b. Dây quấn Dây quấn stato đJợc đặt vào các rãnh của lõi sắt và đJợc cách điện tốt với lõi sắt (hình 15-5). Kiểu dây quấn, hình dạng và cách bố trí dây quấn đã đJợc trình bày ở phần thứ ba (ChJơng 13). Dây quấn làm bằng đồng. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 31 1 2 3 4 Hình 15-5. Stato của máy điện KĐB 1 - Vỏ máy; 2 - Mạch từ; 3 - Dây quấn; 4 - Chân đế. a) b ) Hình 1 5 - 6. Lá thép rôto của máy điện KĐB c. Vỏ máy Vỏ máy gồm thân máy, nắp máy và chân đế. V ỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn (hình 15-5), không dùng làm mạch dẫn từ. ThJờng vỏ máy làm bằng gang. Đối với máy có công suất tJơng đối lớn (1000 kW) thJờng dùng thép tấm cuốn và hàn lại thành vỏ. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau. 2. Phần quay hay rôto Phần này gồm có hai bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn. a. Lõi sắt Nói chung lõi sắt rôto cũng đJợc làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, đJợc dập nhJ hình 15-6a để sau khi ghép lại mặt ngoài hình thành các rãnh là nơi đặt dây quấn rôto, ở giữa có lỗ để ghép trục. Trên thực tế tổn hao sắt trong lõi sắt rôto khi máy làm việc rất bé nên không cần dùng thép kỹ thuật điện. NhJng để lợi dụng phần thép kỹ thuật điện sau khi đập lõi sắt stato (hình 15-6b), thJờng ngJời ta ép làm lõi sắt rôto luôn. Lõi sắt đJợc ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 32 R Vòng trJợt Chổi than a) b ) Dây quấn rôto Hình 1 5 - 7. Rôto (a) và sơ đồ mạch điện (b) của rôto dây quấn b. Dây quấn rôto Dây quấn rôto của máy điện KĐB phân làm hai loại chính: loại rôto kiểu dây quấn và loại rôto kiểu lồng sóc. - Loại rôto kiểu dây quấn: Rôto có dây quấn giống nhJ dây quấn stato. Trong các máy điện cỡ trung bình trở lên thJờng dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt đJợc những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ thJờng dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của rôto thJờng đấu hình sao, còn ba đầu kia đJợc nối vào ba vành trJợt thJờng làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục (hình 15-7a), tì lên ba vành trJợt là ba chổi than để đấu dây quấn rôto với mạch điện bên ngoài (hình 15-7b). Đặc điểm của loại động cơ điện rôto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than để đJa điện trở phụ hay s.đ.đ. phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi làm việc bình thJờng dây quấn rôto đJợc nối ngắn mạch. - Loại rôto kiểu lồng sóc: Kết cấu của kiểu dây quấn này rất khác với dây quấn stato. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm dài ra khỏi lõi sắt, các thanh dẫn đJợc nối tắt lại với nhau ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà ngJời ta quen gọi là lồng sóc (hình 15-8). Cũng chính vì vậy mà rôto loại này còn có tên gọi là rôto ngắn mạch. Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt (hình 15-9). Để cải thiện tính năng mở máy, trong các máy có công suất tJơng đối lớn, rãnh rôto có thể làm rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép (hình 15-10). Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto thJờng đJợc làm chéo đi một góc so với tâm trục (hình 15-9). Hình 1 5 - 8. Dây quấn rôto lồng sóc PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 33 Hình 1 5 - 10 . Những kiểu rãnh đặc biệt của rôto lồng sóc: a) rãnh sâu; b) rãnh hai lồng sóc thanh dẫn bằng đồng; c) rãnh hai lồng sóc thanh dẫn đúc nhôm . a) b) c) Hình 1 5 - 9. Rôto lồng sóc rãnh chéo Hình 1 5 - 11. Động cơ không đồng bộ 3 pha. a) Hình dáng bên ngoài; b) Cấu tạo bên trong a) b) 3. Khe hở Vì rôto là khối tròn nên giữa rôto và stato có khe hở rất đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (khoảng từ 0,2 mm đến 1 mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa) để hạn chế dòng điện từ hoá lấy từ lJới vào và nhJ vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn. Hình dáng bên ngoài và cấu tạo của một động cơ không đồng bộ 3 pha đJợc chỉ ra nhJ ở hình 15-11. 15-3. Các đại l6ợng định mức của máy điện KĐB Các đại lJợng định mức đặc trJng cho điều kiện kỹ thuật của máy, do các nhà thiết kế và chế tạo quy định và đJợc ghi trên nhãn máy. Vì máy điện không đồng bộ chủ PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 34 yếu làm việc ở chế độ động cơ nên trên nhãn máy ghi các trị số định mức của động cơ điện khi tải của máy là định mức. Các trị số đó bao gồm: 1. Công suất định mức ở đầu trục P đm (W, kW). Đây là công suất cơ, nói lên khả năng sinh công của động cơ. Ngoài đơn vị tính là W, kW còn tính bằng sức ngựa HP. 1HP = 0,736 kW. 2. Điện áp dây định mức U đm (V). 3. Dòng điện dây định mức I đm (A). Đây là dòng điện dây của cuộn dây stato lấy từ nguồn điện khi điện áp đặt vào động cơ là định mức và trục động cơ kéo phụ tải định mức. 4. Tốc độ định mức n đm (vòng/phút). Đây là tốc độ quay của rôto khi điện áp đặt vào là định mức và mômen cản trên trục động cơ là định mức. 5. Tần số nguồn định mức f đm (Hz). 6. Hiệu suất định mức đm , là tỷ số giữa công suất cơ trên trục động cơ và công suất điện mà động cơ tiêu thụ khi phụ tải định mức: dm dm dm P P 1 = Từ hiệu suất định mức ta tìm đJợc công suất định mức mà động cơ tiêu thụ từ lJới: dmdmdm dm IU P P cos3== dm 1dm và mômen quay định mức ở đầu trục: KGm phvn WPP M dmdm )/( )( 975,0 81,9 1 . dmdm dm == trong đó 60 .2 dm dm n = là tốc độ quay tính bằng rad/s. 7. hệ số công suất định mức cos đm . Ngoài ra trên nhãn máy còn ghi cách đấu dây Y hay , kiểu máy, độ tăng nhiệt độ. 15-4. Công dụng của máy điện không đồng bộ Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ điện không đồng bộ là loại máy đJợc dùng rộng rãi nhất trong các ngành của nền kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kilôwats. Trong công nghiệp thJờng dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ v.v Trong hầm mỏ dùng làm tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng để làm máy bơm hay máy gia công chế biến nông sản. Trong đời sống hàng ngày máy điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm vị trí quan trọng nhJ: quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh v.v Tóm lại, theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hoá, PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 35 tự động hoá và sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi. Tuy vậy, máy điện không đồng bộ có những nhJợc điểm nhJ: cos của máy thJờng không cao lắm và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt lắm nên ứng dụng của máy điện không đồng bộ có phần hạn chế. Máy điện không đồng bộ có thể dùng làm máy phát điện nhJng đặc tính không tốt so với máy điện đồng bộ, nên chỉ trong một vài trJờng hợp nào đó (nhJ trong quá trình điện khí hoá nông thôn) cần nguồn điện phụ hay tạm thời thì nó cũng có một ý nghĩa quan trọng. Câu hỏi 1. Một động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn, dây quấn stato ngắn mạch. Cho dòng điện xoay chiều 3 pha tần số f 1 vào dây quấn rôto, từ trJờng quay so với rôto quay với tốc độ n 1 theo chiều kim đồng hồ. Hỏi lúc đó rôto quay theo chiều nào? Tính toán hệ số trJợt s nhJ thế nào? Khi s = 0 thì tốc độ bằng bao nhiêu? 2. Tại sao máy điện không đồng bộ là loại máy điện đJợc dùng rộng rãi nhất? 3. Máy điện không đồng bộ thJờng chia thành những loại nào ? Đặc điểm của từng loại? PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com . cơ điện của máy điện không đồng bộ F Phần thứ t' Máy điện không đồng bộ (KĐB) Ch'ơng 15 đại c6ơng về máy điện không đồng bộ 15-1. Nguyên lý làm việc của máy điện không. 1 5 - 2. Chế độ máy phát điện của máy điện không đồng bộ n 1 n > n 1 F Hình 15-3. Chế độ hãm điện từ của máy điện không đồng bộ n 1 n F Máy chỉ làm việc ở chế độ động cơ điện khi. nhãn máy còn ghi cách đấu dây Y hay , kiểu máy, độ tăng nhiệt độ. 15-4. Công dụng của máy điện không đồng bộ Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện.